JP3699330B2

JP3699330B2 - 可変光減衰器を含む物品

Info

Publication number: JP3699330B2
Application number: JP2000132827A
Authority: JP
Inventors: ラルフアボットロバート; ウェインバークストレッサージョージ; デビッドブランドル，ジュニアチャールズ; ジェロムフラテロビンセント; ジョイリフトスティーブン
Original assignee: ルーセントテクノロジーズインコーポレーテッド
Priority date: 1999-05-03
Filing date: 2000-05-01
Publication date: 2005-09-28
Anticipated expiration: 2020-05-01
Also published as: JP2000347151A; EP1050774A3; DE60031475D1; EP1050774A2; DE60031475T2; EP1050774B1; US5978135A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、可変光減衰器を含む物品およびシステム（集合的に「物品」）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
可変光減衰器は、光通信システムにおける多様な重要な用途を潜在的に有する。例えば、波長分割多重（ＷＤＭ）システムにおいて、関係する全ての波長が実質的に同じ利得を有するように、ファイバ増幅器の波長依存利得を調節するために使用され得る。可変光減衰器は、例えば、一定出力を達成するために可変入力強度を補償するため、または等しい強度信号を作るために可変パス長減衰を補償するために使用され得る。望ましくは、光通信システムのための可変減衰器は、約２０−２５ｄＢまでの減衰および約１．５ｄＢ以下の挿入損失を有する。
【０００３】
従来技術として、機械的なものを含むいくつかのタイプの可変光減衰器が知られている。例えば、S. Masuda によるApplied Optics, Vol.19, p. 2435 (1980)およびW.L. EmkeyによるOptics Letters, Vol. 8, p. 94 (1983)を参照のこと。機械的な装置は、高ビットレートシステムに必要とされるスピードをおそらく達成しない。R. Wolfe 等によるApplied Physics Letters, Vol. 58, p. 1733 (1991)は、磁気光学的導波路中のシングルドメインウォールに基づくデバイスを示唆している。しかし、そのようなデバイスは、製造コストがかかり、ファイバとの結合のための高い挿入損失を有する。
【０００４】
Fukushima 等による（Optical Society of America TOPS on Optical Amplifiers and Their Applications, 1996, Vol. 5, 1996 OAA Program Committee (eds), pp. 249-252）は、インプレイン（in-plane)磁化を伴う厚い磁性体膜を開示しており、平面における磁化の方向は、比較的小さいバイアス磁界に依存する。光伝播方向におけるファラデー回転は、磁化および伝播の方向との間の角度のコサインに依存する。このアプローチは、フィルムの立方体磁化異方性のために、光のインプレイン（in-plane)結合およびバイアス磁界との磁化の不均一性に欠点を有する。
【０００５】
可変光減衰器の多くの潜在的な用途に鑑み、かなり大きな調節範囲を有するコンパクトで、小電力のデバイスを利用可能にすることが望ましい。この出願はそのようなデバイスを開示する。
【０００６】
希土類イオンガーネット（ＲＩＧ）が、３個の不等金属イオンサイト（８面体、４面体、および１２面体）でフェロ磁性であることが知られている。ここで関係するＲＩＧの正味の飽和磁化ＭＳは、次式で与えられる。
（１）Ｍ_s(Ｔ)＝｜±Ｍ_c(Ｔ)−Ｍ_a(Ｔ)＋Ｍ_d(Ｔ)｜
ここで、Ｍ_c，Ｍ_aおよびＭ_d は、それぞれ、１２面体、８面体および４面体の副格子の副格子磁化であり、Ｔは絶対温度である。図１は、例示的なＲＩＧの３個の副格子の温度の関数として、副格子磁化を概略的に示し、図２は、得られる正味磁化を、温度の関数として示す。
【０００７】
図１から分かるように、重希土類（ＧｄないしＹｂ）に対する希土類コントリビューションは、低温において大きいが、高温において実質的に無視可能である。したがって、そのようなＲＩＧは、キュリー温度より低いある温度において、磁気的補償（即ち、ゼロ飽和磁化）を示し得る。これは、図２に示されており、補償温度は、約２５０Ｋであり、キュリー温度は、約５００Ｋである。希土類モーメントの温度依存性は、Ｇｄに対して最高であり、重希土類を通して一様に減少する。Ｔｂ，ＨｏおよびＹｂについてのデータは、図３に示されている。
【０００８】
飽和磁化と同様に、イオンガーネットのファラデー回転θ_F も、副格子磁化の線形のコントリビューションであるが、異なる比例定数を有する。具体的には、ファラデー回転は、次式で表される。
（２） θ_F(Ｔ，λ)＝Ｃ(λ)Ｍ_c(Ｔ)＋Ａ(λ)Ｍ_a(Ｔ)＋Ｄ(λ)Ｍ_d(Ｔ)
ここで、λは、ファラデー回転を受ける光の波長であり、Ｃ（λ）、Ａ（λ）およびＤ（λ）は、それぞれ１２面体、８面体および４面体の副格子の波長依存磁気光学的係数である。
【０００９】
異なる比例定数の結果として、ここで関係するＲＩＧのファラデー回転は、典型的には、補償温度においてゼロにはならない。しかし、材料が磁気的補償温度を通過するとき、飽和磁化の符号は、副格子磁化に関して変化し、したがって、ファラデー回転に対して変化する。
【００１０】
材料が、飽和印可磁界中にある場合、多くのデバイスアプリケーションにおいて起きるように、補償温度を通過することは、正味の磁化が印可磁界と整列して残るように、副格子磁化における符号変化となる。これが起きるとき、ファラデー回転も、上記の式（２）に従って副格子磁化の変化と共に、ステップ関数で、符号を変化させるが、大きさは変化させない。これは、図４および５に概略的に示されており、図６にグラフ的に示されている。そのような変化が、アイソレータのような磁気光的デバイスにおいて起きる場合、デバイスはその機能を逆転させ、順方向に吸収し逆方向に光を伝播させ、典型的には、通常の動作に対してデバイスを無用のものとする。
【００１１】
しかし、材料が、磁界の存在なしに飽和したままにするよう十分に保磁性である場合（例えば、米国特許第５，６０８，５７０号を参照のこと）、補償温度を通過することは、印可磁界のない場合反対の効果を有する。即ち、飽和磁化は、それがゼロを通過するとき向きを変え、副格子磁化が同じ方向のままであるので、ファラデー回転の符号は変化しない。
【００１２】
特定のＲＩＧ材料の補償温度は、一般に、１２面体イオン（特に重希土類の濃度）とイオンサイトにおける反磁性置換の組合せ効果により決定される。温度が、印可磁界中で補償温度を通って上げられまたは下げられるとき、副格子磁化は図４および５に概略的に示されているように、符号を変化させることになる。これは、典型的には、凝集（nucleation）のプロセスおよび現存するドメインへの逆方向副格子磁化の領域の成長により起きる。
【００１３】
このプロセスの間に、異なるオーダーとされた副格子を有するこれらの磁気的ドメインは、特別な種類の磁気的ドメインウォール、一般に、「コンペンセーションウォール（compensation wall）」と呼ばれるものにより分離される。コンペンセーションウォールの一方の側における副格子は、コンペンセーションウォールの他方の側における対応する副格子に対して逆平行に配向される。コンペンセーションウォールは、ランダムに配向したドメインウォールよりもいくらか小さいエネルギを有するが、その凝集は、依然としていくらかのエネルギを必要とする。従って、Latching^TMファラデーローテータにおける凝集誘導保磁力に似た、均一な組成の材料をスイッチングすることにおけるヒステリシスがある。
【００１４】
コンペンセーションウォールのさらなる詳細については、例えば、“Magnetic Garnets”, Gerhard Winkler, Vieweg Tracts in Pure and Applied Physics, Vol. 5, Braunnschweig 1981, especially pages 358 to 364, and p.672および米国特許第４，９８１，３４１号を参照のこと。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
したがって本発明の目的は、かなり大きな調節範囲を有するコンパクトで、小電力の可変光減衰器を提供することである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、例えば１．５５μｍまたは１．３μｍの波長λの光に対する可変減衰器において具現化され、そのような可変減衰器を含む物品（例えば、光ファイバ通信システム）において具現化される。
【００１７】
従来技術は、入力ポートから出力ポートへデバイスを通してダウンストリーム方向に波長λの光の伝播をサポートするように適合された光デバイスを含む。この物品は、第１および第２の偏光子をさらに含み、各偏光子は、ある偏向方向を有し、第２の偏光子の偏向方向は、第１の偏光子の偏向方向から実質的に４５°にあり、第２の偏光子は、第１の偏光子からダウンストリーム方向に離れている。
【００１８】
この物品は、第１および第２の偏光子の間に配置されたファラデー回転手段をさらに含み、波長λの光の偏向方向を、第１の偏光子の偏向方向に平行な方向から、第２の偏光子の偏向方向に実質的に平行な方向に変えるように選択されている。この物品は、ファラデー回転手段を、所定方向に実質的に磁気的に飽和させるように選択された磁石をさらに含み、また、ファラデー回転手段の温度を変化させるために選択された加熱および／または冷却手段を含む。
【００１９】
重要なことに、光デバイスは、波長λの前記光に対して可変光減衰器である。ファラデー回転手段は、ダウンストリーム方向に変化する化学的組成を有する磁気光的ボディを含み、化学的組成は、磁気光的ボディの温度の変化に応答して可動であるコンペンセーションウォールを磁気光的ボディが含み、波長λの光の減衰が変化するように選択される。
【００２０】
好ましい実施形態において、磁気光的ボディ（典型的にはＲＩＧ）の組成は、ダウンストリーム（軸的）方向に沿って実質的に連続的に変化する。望ましくは、組成は、可変減衰器が中心温度の±ΔＴ（例えば、±５℃）の補償温度の勾配を有する。中心温度は、例えば、期待される動作温度Ｔ₀、例えば室温（〜２２℃）である。動作温度において、減衰器は、所定の減衰Ｚ₀（例えば、０．１ｄＢ）を有し、例えば熱電的クーラーおよびヒーターの手段により磁気光的ボディの温度を変化させることは、減衰の所定の変化となる。
【００２１】
ヒステリシスを実質的に減少させるために、コンペンセーションウォールが常に存在することが望ましい。例えば、これは、磁気光的エレメントの主表面のうちの１つの上に高いまたは低い（組成の傾きの方向に依存して）補償温度材料のいずれかの薄膜の成長によりなされる。
【００２２】
典型的には、永久磁石は、温度変化に応じて、コンペンセーションウォールを動かすために必要とされる磁界を提供する。印可磁界が高いと、一般に、望ましくないヒステリシス効果が低くなる。一方、永久磁石のコストは、磁界強度の増大と共に増大する。したがって、典型的には、妥協が必要である。いくつかの単純な実験が、一般に、許容可能な磁石強さを決定するために十分である。電磁石は、勿論、所望の磁界を提供するために使用され得る。
【００２３】
例えば、本発明による可変減衰器は、ファイバ増幅器を備えたＷＤＭ光ファイバ通信システムにおける自動利得制御のため、またはファイバ増幅器の出力レベルを安定化するために好都合に使用可能である。
【００２４】
【発明の実施の形態】
図７は、本発明による例示的な可変減衰器７０を示す。符号７１は、磁気光的ボディ（典型的には、適切な組成変化を有する４５°ファラデーローテーター）であり、符号７２および７３は、それぞれ、０°の偏向方向を定義する第１の偏光子および０°の方向から４５°の偏向方向を有する第２の偏光子であり、符号７４は、熱電的（ＴＥ）冷却および加熱デバイスである。磁気光的ボディは、ＴＥデバイスに熱伝導的に取り付けられる。符号７５は、磁石であり、例えば、ファラデーローターを磁気的に飽和させるために十分な強さの管状永久磁石である。光７６は、第１の偏光子に入射し、可変減衰器を通って軸方向（ダウンストリーム方向）に伝播する。
【００２５】
一般に、本発明による可変減衰器は、光アイソレータにおいて見いだされる特徴に似た通常の特徴を含む、例えば、光ビームの調節をするための１つまたは２つ以上の光学レンズ、およびデバイスにファイバ「ビックテイル(pig tail)」を取り付けるための手段である。
【００２６】
これらの特徴は、図７に示されていない。図６は、補償点材料について、温度の関数としてファラデー回転を示す。曲線６１は、保磁性材料に磁界を印可しない場合であり、曲線６２は磁界を印可した場合である。図６は、補償温度におけるファラデー回転の符号の変化を示す。可変減衰器に対して適切な補償温度を有する磁気光学的材料の有用性の基礎となるものはこの符号の変化である。
【００２７】
本発明の好ましい実施形態において、磁気光学的ボディは、中心組成についての組成勾配を有する。例えば、中心組成は、ほぼＢｉ_1.2Ｅｕ_0.9Ｈｏ_0.9Ｆｅ_4.0Ｇａ_1.0Ｏ₁₂ である。この組成は、約２２℃の補償温度を有すると期待される。しかし、Ｇａ／Ｆｅ比の調節により、中心温度は、他の所望の動作温度に設定され得る。補償温度の勾配が、とりわけボディ中のＢｉ／（Ｅｕ＋Ｈｏ）比における勾配により導入され得る。Ｂｉは磁性ではなく、ＥｕおよびＨｏは磁性であるので、Ｂｉ／（Ｅｕ＋Ｈｏ）比を変化させることは、磁化に対するＣ光子のコントリビューションを変化させ、したがって補償温度に影響を与える。
【００２８】
例えば、１０℃の全勾配が補償温度において望まれる場合（即ち、中心動作温度から±５℃の場合）、これは、Ｂｉの単位式当たり±０．０１６原子に対応するＢｉの単位式当たり約０．０３２原子の全勾配を必要とすることになる。例えば、同様の材料が、Ｂｉ−ＴｂおよびＢｉ−Ｈｏ系から作られ得る。
【００２９】
実施例として、本発明による可変光減衰器において有用性を有することが期待されるいくつかの組成を以下に示す。
【表１】

【００３０】
上記の組成は、例示に過ぎず、異なる中心温度および／または勾配を有する他の材料も、可変減衰器のとりわけ所望の動作温度および感度に依存して、考えられ得る。
【００３１】
本発明による可変光減衰器において使用するためのＲＩＧは、実質的に米国特許第５，６０８，５７０号に示された技法により成長され得る。しかし、所望の組成勾配を得るためには、典型的には、従来技術による手順の変形が必要とされる。
【００３２】
例えば、液相エピタキシ成長が行われる間に、成長温度をランプダウン(ramp down)またはランプアップ(ramp up）することにより溶解物の過冷却がスムーズに変化し得る。Ｂｉ濃度は、所定の溶解物に対し過冷却のほぼ線形関数であるので（例えば、C.-P Klages 等によるJ. Crystal Growth, Vol. 64, p. 275 (1983) を参照のこと）、所望の組成勾配が得ることができる。
【００３３】
Ｂｉ濃度は、回転レートを変化させることによっても変化し得る。理論によれば、Ｂｉ濃度は、回転レートの平方根として変化する。しかし、我々は、ほぼ４０−１６０ｒｐｍの範囲の回転レートに対して、Ｂｉの分布係数がほとんど変化しないことを発見した。約４０より低い回転レートが、Ｂｉ濃度の減少に有効であることが分かり、溶解物の不十分な撹拌のためにゼロ回転は一般に望ましくない。単位式当たり０．０２−０．０５Ｂｉ原子の変化が、膜回転レートの変化により容易に達成可能であることが示された。
【００３４】
本発明によるＲＩＧは、格子パラメータ１２．４９８Ａのカルシウム・マグネシウム・ジルコニウム・置換・カドリニウム・ガリウム・ガーネット（ＣＭＺ：ＧＧＧ）のような基板上に、単結晶膜として典型的に成長させられる。そのような基板は、商業的に入手可能である。
【００３５】
図８は、例示的な光ファイバ通信システム８０を示す。このシステムは、通常の送信機８１、通常の受信機８５、および送信機および受信機を信号伝達可能に接続する伝送ファイバ８３を含む光ファイバ伝送パスを含み、かつ通常の光ファイバ増幅器８４および本発明による可変減衰器７０を含む。ポンプ源８６は、増幅器にポンプ光を提供する。伝送パス中のファイバレーザの存在は任意的であり、例えばルータのような他の光構成部品が存在し得ることが理解されるであろう。通信システムは、典型的には、マルチチャネル（ＷＤＭ）システムである。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、かなり大きな調節範囲を有するコンパクトで、小電力の可変光減衰器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＲＩＧの副格子磁化を温度の関数として示す図。
【図２】ＲＩＧの全体的磁化を温度の関数として示す図。
【図３】３個の異なるＲＩＧに対して、温度の関数として飽和磁化についての例示的データを示す図。
【図４】補償温度の上および下での例示的なＲＩＧの副格子磁化、全体的磁化およびファラデー回転を示す図。
【図５】補償温度の上および下での例示的なＲＩＧの副格子磁化、全体的磁化およびファラデー回転を示す図。
【図６】補償、ＲＩＧについての温度の関数としてファラデー回転を示す図。
【図７】本発明による可変減衰器を示す図。
【図８】本発明による例示的な光通信システムを示す図。
【符号の説明】
７０可変減衰器
７１４５°勾配ファラデーローテーター
７２，７３偏光子
７４冷却器および加熱器
７５磁石
７６光
８０光ファイバ通信システム
８１送信機
８３伝送ファイバ
８４増幅器
８５受信機
８６ポンプ源

Claims

光デバイスを通して入力ポートから出力ポートへのダウンストリーム方向における波長λの光の伝播のために適合された光デバイスを含む物品であって、
ａ）各々がある偏向方向を有する第１および第２の偏光子と、
ｂ）前記第１および第２の偏光子の間に配置されたファラデー回転手段と、
ｃ）ファラデー回転手段を所定方向に磁気的に実質的に飽和させるように選択された磁石とをさらに含み、
前記第２の偏光子の偏向方向は、第１の偏光子の偏向方向から実質的に４５°であり、前記第２の偏光子は、前記第１の偏光子からダウンストリーム方向に離して置かれており、前記ファラデー回転手段は、順伝播方向に完全に磁化されるとき、波長λの光の偏向方向を、第１の偏光子の偏向方向に平行な方向から第２の偏光子の偏向方向に実質的に平行な方向に変化させるように選択されるものにおいて、
ｄ）前記光デバイスは、可変光減衰器であり、ファラデー回転手段の温度を変化させるために選択された加熱および／または冷却手段を含み、
ｅ）前記ファラデー回転手段は、ダウンストリーム方向に変化する化学的組成を有する磁気光学的ボディを含み、前記ファラデー回転手段は、磁気光学的ボディの温度変化に応じて可動なコンペンセーションウォールを含み、これにより、光デバイスにおける波長λの光の減衰が変化される
ことを特徴とする物品。
磁気光学的ボディの化学的組成が、実質的に連続的にダウンストリーム方向に変化する請求項１に記載の物品。
前記化学的組成が、前記可変光減衰器が中心温度あたりで±ΔＴ度の補償温度の勾配を有するように選択される請求項１に記載の物品。
前記中心温度が、可変光減衰器の期待される動作温度Ｔ₀である請求項３に記載の物品。
ΔＴが約５°以下である請求項３に記載の物品。
前記ファラデー回転手段が、希土類イオンガーネットを含む
ことを特徴とする請求項１に記載の物品。
前記希土類イオンガーネットが、実質的に、Ｂｉ，Ｅｕ，Ｈｏ，Ｆｅ，Ｇａおよび酸素からなり、その組成は、約２２℃の補償温度を有する組成を提供するように選択される請求項６に記載の物品。
前記希土類イオンガーネットが、実質的に、Ｂｉ，Ｔｂ，Ｆｅ，Ｇａおよび酸素からなる請求項６に記載の物品。
前記希土類イオンガーネットが、実質的に、Ｂｉ，Ｈｏ，Ｆｅ，Ｇａおよび酸素からなる請求項６に記載の物品。
前記希土類イオンガーネットが、基板上に形成される請求項６に記載の物品。
前記基板が、ＣＭＺ：ＧＧＧと呼ばれる、カルシウム・マグネシウム・ジルコニウム・置換・ガドリニウム・ガリウム・ガーネットを含む請求項１０に記載の物品。
前記ＣＭＺ：ＧＧＧが、約１．２４９８ｎｍの格子パラメータを有するように選択される請求項１１に記載の物品。
前記部品が光ファイバ通信システムであり、送信機、受信機、前記送信機および受信機を信号伝達可能に接続する光ファイバ伝送パスを含み、および前記可変光減衰器を含む請求項１に記載の物品。